Nature Methods：革命性成像技术[创新技巧]

生物通报道：来自牛津大学生理解剖和遗传学系，物理学系的研究人员发明了一种革命性的高分辨率，高速照像成像技术：temporal pixel multiplexing (TPM) ，这种最新科技成果能结合感光元件和解析元件来拍摄静态与动态画面。这对于科学基础研究，工业应用，以及未来消费者市场而言具有重要的意义，这一研究成果公布在2月14日的《Nature Methods》杂志上。

立体拍摄 (digital photography) 技术起源于十九世纪的三十年代，首先由英国的wheatstone着手研究人的视觉，并发明了相关的技术器具，目前根据拍摄物体的运动状态 , 立体照片的拍摄大至可分成动态立体拍摄及静态立体拍摄两大类。但是同时具备静态和动态的相关技术并没有太大的突破。

在这篇最新的文章中，研究人员将常见照相机的现有技术，与数码动态放映技术结合起来，从而能转换许多种格式的精细科学图片，利用目前消费者市场合适价格的相同照相机获得高速，高分辨率静态图像。这种技术应用广泛，包括了从CCTV到运动拍摄的各个方面，而且也吸引了一些科学成像部分的注意——这种技术能捕捉质量非常高的静态图像，以及速度非常快的影像，这对于科学成像而言简直可以说是“量身定做”的技术。

目前这一技术已由牛津大学技术转换办公室Isis Innovation注册专利，这一部分提供了早期的研究资金，并且将会把这一技术引入市场。

领导这一研究的Peter Kohl博士和他的同事的研究课题是，利用复杂的成像技术和计算机技术分析人类心脏，他们之前曾获得了一个心脏的模型，这一模型能帮助他们从各个角度和各个层面（包括最大的器官结构和最小的细胞水平）观察心脏。研究人员完成这项研究是借助了许多不同类型的心脏结构和功能信息，这些信息来自计算机，和一些先进的可见光成像工具，因为这项工作需要高速和细致的工作，而且里面目前的拍摄技术很难获得。

Kohl博士说，“任何曾经尝试过拍摄高速场景，比如足球运动或者摩托车比赛的人都知道，即使是利用最新的数据SLR（单镜反光相机，生物通注），也很能获得漂亮的相片，这是由于运动会引起模糊，导致拍摄失败。我们在科学研究中也遇到了相同的问题，比如在实验中，我们可能不能抓住荧光分子光强度的非常快速的变化，这可能能告诉我们细胞中到底发生了什么，即使是大型的10个或者12个百万像素的感应器（目前许多相机具有的像素）也不能改变这种困境。”

为了能克服这种困难，研究人员提出了一个大胆的主意——将高分辨率静态成像，和高速动态连续成像结合起来，安装在同一个相机中，同时完成静态和动态的成像，这样就能获得真正意义上的“动态图片”。正常而言要获得相似的高速连续镜头所需的照相机的价格不费，而在这项研究中，研究人员的发明则节约了一大部分成本，这是一种重要的技术进步，不仅对于研究团体，而且在其它方面，比如工业和消费者市场而言，意义重大。

这种TPM技术的关键突破点在于，研究人员设计的像素的反应模式能在一般单次曝光时间内反复多次感光并储存这一信息，所得的影像可以解码为单一的静态或连续的影像。

具体的基本原理见下图，a图是6×6像素的检测器，9个曝光组中的每一个都有4个光感元件（格子中间的数字），每一个数字代表着一个像素，在所有曝光组中的相同检测像素能同时在四分之一秒（即0.25S）中整合光，1s后阅读并记录数据，见b图，将所有第一个，第二个，第三个，和第四个四分之一秒中获得数据统一起来，就能获得完整数据了。

文章的另外一位作者Gil Bub表示，“这样就能实现同一感光元件，同一分辨率在同一时间内拍摄静止和动态的画面”，“利用这种新技术，能将相机的像素连动起来，无论是十个，还是百个独立下相机在一次正常的单曝光中获得连续图片。技术点就是像素曝光模式能保持高分辨率，获得一种有规律的高分辨率图像，还可以解码成高速的动态影片。”

这一技术吸引了来自英国的一位科学仪器制造商：Cairn Research，这家建于1985年，为活细胞成像和电生理成像制造快速、敏感的光学测量部件的企业认为这一技术潜力很大，Martyn Reynolds博士表示，“生物学过程的高速成像对于我们Cairn Research的客户非常重要”，“我们经常收到一些客户的反馈，希望能获得以秒为单位的活细胞活动的记录，这让我们注意到了现有技术的一些限制。多年以来我们都在尝试获得细胞样品的快速成像，目前我们对就牛津大学的这项新技术十分感兴趣，因为这项技术能延伸我们仪器的功能，带来全新的技术革新。”

另外这项研究也吸引了一些目标为消费者市场的研究人员，来自诺丁汉大学（The University of Nottingham）的Mark Pitter博士计划将这一技术包装成一体化系统，在普通相机中推广，他说，“这将能帮助我们设计出简单而精密的相机，显微镜，以及其它进一步降低这项激动人心的技术的成本后开发的相关光学仪器。这具有广泛的用途，比如消费者相机，安全系统，以及制造业监控等。”

Innovation and Skills部门主任Celia Caulcott博士也认为这项技术具有革新性的意义，他认为“这是一项精巧的，有效的发明，能用于观测实时生物学过程，帮助科学家们解决了一个科研难题，而且还具有更加广泛的用途。这项技术也创造性的将生物科学的工具和市场产品联系了起来。这项研究人员成功的升级了自己的研究工具，相信未来这项技术将会迎来更加广阔的天空。”

（生物通：张迪）

原文摘要：

Temporal pixel multiplexing for simultaneous high-speed, high-resolution imaging

We introduce an imaging modality that, by offsetting pixel-exposure times during capture of a single image frame, embeds temporal information in each frame. This allows simultaneous acquisition of full-resolution images at native detector frame rates and high-speed image sequences at reduced resolution, without increasing bandwidth requirements. We demonstrate this method using macroscopic and microscopic examples, including imaging calcium transients in heart cells at 250 Hz using a 10-Hz megapixel camera.